机器视觉教材-硬件篇

1、硬件篇.视觉系统原理描述.视觉系统硬件全面概括 内容内容1.1.1视觉系统原理描述视觉系统原理描述 机器视觉就是机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分为CMOS和CCD两种），将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据识别的结果来控制现场的设备动作。2.1.1机器视觉硬件全面概括机器视觉硬件全面概括l相机l镜头l光源l图像采集卡lPLC2.1.1.1相机相机 视觉行业所用的相机为工业相机，工业相机又俗称摄像机，相比于传统的的民用相机而言

2、，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，目前市面上工业相机大多是基于CCD或CMOS芯片的相机。2.1.1.1.1工业相机分类工业相机分类 CCD相机按芯片类型 CMOS相机 隔行扫描相机按扫描方式 逐行扫描相机 线阵相机按传感器结构特性 面阵相机 2.1.1.1.2相机基本参数相机基本参数l分辨率：相机每次采集图像的像素点（Pixels）,对于数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机则是取决于视频制式，PAL制为768*576,NTSC制为640*480；l像素深度：即每个像素数据的位数，一般常用的是8Bit,对于数字工业相机一般还有10Bit、12Bit等；l

3、像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机机靶面的大小。目前数字相机像元尺寸一般为 - ；l帧率：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec）对于线阵相机为每秒采集的行数（Hz）。m3m102.1.1.1.3CCD相机相机 CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取与一体，是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换成电荷包，而后在脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。CCD相机优势相机优势 典型的CCD相机由光

4、学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD作为一种功能器件，与真空管相比具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。2.1.1.1.4 CMOS相机相机lCMOS相机的开发最早出现在20世纪70年代，90年代初期，随着超大规模集成电路制造工艺技术的发展，CMOS相机得到迅速发展。CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上。CMOS相机优势相机优势 CMOS相机具有局部像素的编程随机访问的优点，目前，CMOS相机以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了

5、广泛应用。2.1.1.1.4工业相机与普通相机的区别工业相机与普通相机的区别l工业相机性能可靠易于安装，相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可以在较差的环境下使用，普通相机是做不到这些的，例如：让普通相机连续工作一天或几天肯定会受不了的；l工业相机的快门(曝光)时间非常短，可以抓拍高速运动的物体；l工业相机帧率远高于普通相机；l工业相机输出的是裸数据，光谱范围较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法，例如机器视觉应用。而普通相机拍摄的图片，其光谱范围只适合人眼视觉，图像质量较差，不利于进行分析处理；l工业相机相对于普通相机来说价格较贵。2.1.1.1.5相机选取方法相机选取方法 选取相机也

6、是我们摄取图像的一个关键步骤，不可忽视，以下举例说明几种选取相机方法：2.1.1.1.5（1）相机选取方法）相机选取方法l 根据应用的不同选用CCD或CMOS相机。CCD相机主要应用在运动物体的图像摄取，如贴片机机器视觉，当然随着CMOS技术的发展，许多贴片机也在选用CMOS工业相机。用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD相机比较多，CMOS相机成本低，功耗低也应用越来越广泛；2.1.1.1.5（2）相机选取方法）相机选取方法l 分辨率的选择。首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率。相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。则相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理

7、论精度。若单视野为5mm，理论精度为0.02mm，则单方向分辨率=5/0.02=250。然而为增加系统稳定性，不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值，一般可以选择倍数4或更高。这样该相机需求单方向分辨率为1000，选用130万像素已经足够。2.1.1.1.5（2）相机选取方法）相机选取方法 其次看相机的输出，若是体式观察或机器视觉软件分析识别，分辨率高是有帮助的；若是VGA输出或USB输出，在显示器上观察，则还依赖于显示器的分辨率，相机的分辨率再高，显示器分辨率不够，也是没有意义的；利用存储卡或拍照功能，相机的分辨率高也是有帮助的；2.1.1.1.5（3）相机选取方法）相机选取方法l 考

8、虑与镜头的匹配。传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，C或CS安装座也要匹配（或者增加转接口）；2.1.1.1.5（4）相机选取方法）相机选取方法l 考虑相机帧数选择。当被测物体有运动要求时，要选择帧数高的工业相机。但一般来说分辨率越高，帧数越低。2.1.1.2 镜头镜头 镜头的基本功能就是实现光束变换，在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。2.1.1.2.1 镜头分类镜头分类 定焦镜头按功能 变焦镜头 定光圈镜头 普通镜头按视角 广角镜头 远摄镜头 微距镜头 远心镜头

9、 CCTV镜头 按用途2.1.1.2.2 镜头基本参数镜头基本参数镜头的相关参数：l视场（FOV，也称视野范围）：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（视场范围是选型中必须了解的）；l工作距离（WD）：指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（选型必须了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等）；l分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好；l景深（DOF）：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力。（需要了解客户对景深是否有特殊要求）2.1.1.2.2(1)景深计算公式：景深计算公式：LF

10、fLFL221前景深：后景深：LFfLFL222景深：222422212LFfLFfLLL -容许弥散圆直径；f-镜头焦距；F-镜头的拍摄光圈值；L拍摄距离；1L -前景深； -后景深； -景深2LL2.1.1.2.2(2) 景深计算公式景深计算公式从上页中的景深公式可以看出，后景深前景深，且景深与镜头使用的光圈,镜头焦距与拍摄距离等有关系：l镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；l镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；l拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。2.1.1.2.3镜头的其他参数镜头的其他参数l感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指

11、水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视野范围（FOV）非常重要。镜头光学放大倍数（PMAG）由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸，但PMAG却不属于基本参数；l焦距（f）：是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是相机中，从镜头中心到底片或CCD等成像平面的距离。2.1.1.2.3镜头的其他参数镜头的其他参数镜头接口C型：C型接口镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离为17.5mm;CS型：CS型接口此距离为12.5mm.C型镜头与CS型相机之间增加一个5mm的C/CS接

12、圈可以配合使用.CS镜头与C型镜头无法配合使用;F型：通用型接口，一般适用于大于25mm的镜头。2.1.1.2.3镜头的其他参数镜头的其他参数l畸变：视野中局部放大倍数不一定造成的图像扭曲，由于受制作工艺的影响，镜头越好畸变越小。广角镜头的畸变比较大，比如直线弯曲、矩形变成桶形或者枕形。因此在精密测量系统等精度要求高的情况下必须考虑镜头的畸变。正常桶形失真枕形失真2.1.1.2.4镜头选取方法镜头选取方法l根据客户需求。一般先考虑客户对镜头的特殊需求，例如在镜头与工件之前有没有加入其他器件（透镜、反光镜片、玻璃）、镜头的工作环境等。l是否需要用远心镜头。精密测量系统需要选用远心镜头，远心镜头最

13、主要的功能就是可以克服透视相差（成像时由于距离的不同而导致的放大倍数不一致现象）的影响，使得检测目标在一定范围内运动时得到的尺寸数据几乎不变。一般情况下，远心镜头都是固定焦距和工作距离的，而且有些远心镜头的体积很大，有的重量超过十斤，需要详细了解客户对视场大小、工作距离、空间限制和运动控制的要求，之后联系镜头供应商或者专业的技术人员确定型号。一般的表面缺陷、有无判断等对物体成像没有严格要求时，选用畸变小的镜头，就可以满足要求。l镜头的接口。镜头接口和相机接口都分为C、CS、F和其他更大尺寸的接口类型。相机和镜头是互补的，即C接口的相机只能用C接口的镜头，CS接口的相机可以使用CS接口的镜头或者

14、C接口加上5mm接圈，其他接口的只能一一对应，如果相机的芯片尺寸超过1英尺，尽量选用F或者更大的接口，避免图像周围成像质量差。 2.1.1.3光源光源 机器视觉系统中最关键的一个方面就是选择正确的照明，机器视觉光源直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。所以我们经常说光源起到的作用就是获得对比鲜明的图像。2.1.1.3.1光源的作用光源的作用l不同的光源将直接影响图像的质量和效果:l不同的应用场合，光源的重要性体现（比重）: 选择合适的光源，可选择合适的光源，可突显良好的图像效果突显良好的图像效果（特征点），可以（特征点），可以简简化算法化算法，提高检测精度提高检测精度、保证检测系统的、保

15、证检测系统的稳定性稳定性。10%?30%?50%?70%?2.1.1.3.2光源类型光源类型 光源是影响机器视觉系统图像水平的重要因素，以下举例说明几种类型的光源：2.1.1.3.(1)光源类型光源类型l环形光源 提供不同的照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；提供不同照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；高密度LED阵列，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散。应用领域:PCB基板检测，IC元件检测，显微镜照明，液晶校正，塑胶容器检测，集成电路印字检查2.1.1.3.1(2)光源类型光源类型l背光源 用高密度LED阵列面提

16、供高强度背光照明，能突出物体的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。红白两用背光源、红蓝多用背光源，能调配出不同颜色，满足不同被测物多色要求。应用领域：机械零件尺寸的测量，电子元件、IC的外型检测，胶片污点检测，透明物体划痕检测等。2.1.1.3.1(3)光源类型光源类型l条形光源 条形光源是较大方形结构被测物的首选光源；颜色可根据需求搭配，自由组合；照射角度与安装随意可调。应用领域:金属表面检查，图像扫描，表面裂缝检测，LCD面板检测等。2.1.1.3.1(3)光源类型光源类型l组合条形光源 四边配置条形光，每边照明独立可控；可根据被测物要求调整所需照明角度，适用性广。应用案例:CB基板

17、检测，IC元件检测，焊锡检查，Mark点定位，显微镜照明，包装条码照明，球形物体照明等。2.1.1.3.1(4)光源类型光源类型l同轴光源 同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。应用领域：系列光源最适宜用于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测，Mark点定位，包装条码识别。2.1.1.3.1(5)光源类型光源类型l线性光源 超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。2.1.1.3.1(6)光源类型光源类型l点光源 大功率LED，体积小，发光强度高；光

18、纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等；高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。应用领域:适合远心镜头使用，用于芯片检测，Mark点定位，晶片及液晶玻璃底基校正。2.1.1.3.2光源选型光源选型l了解产品需要检测的特征点面积大小，选择合适尺寸的光源；l了解产品特性，选择不同类型的光源；l了解产品的材质，选择不同颜色的光源；l了解安装空间及其他可能会产生障碍的情况，选择合适的光源。 以下举例说明几种常见光源的选型要领：2.1.1.3.2（1）光源选型要领）光源选型要领条光选型要领：l条光照射宽度最好大于检测的距离，否则可能会照射距离远造成亮度差，或者是距离近而幅射面积不够；l条光长度能够

19、照明所需打亮的位置即可，无须太长造成安装不便，同时也增加成本,一般情况下，光源的安装高度会影响到所选用条光的长度，高度越高，光源长度要求越长，否则图像两侧亮度会比中间暗；l如果照明目标是高反光物体，最好加上漫射板，如果是黑色等暗色不反光产品，也可以拆掉漫射板以提高亮度；2.1.1.3.2（2）光源选型要领）光源选型要领环光选型要领：l了解光源安装距离，过滤掉某些角度光源；例如要求光源安装尺寸高，就可以过滤掉大角度光源，选择用小角度光源，同样，安装高度越高，要求光源的直径越大；l目标面积小，且主要特性在表面中间，可选择小尺寸0角度或小角度光源；l目标需要表现的特征如果在边缘，可选择90度角环光，

20、或大尺寸高角度环形光；l检测表面划伤，可选择90度角环光，尽量选择波长短的光源。2.1.1.3.2（3）光源选型要领）光源选型要领背光源/平行背光源造型要领：1、选择背光源时，根据物体的大小选择合适大小的背光源，以免增加成本造成浪费；2、背光源四周一条由于的外壳遮挡，因此其亮度会低于中间部位，因此，选择背光源时，尽量不要使目标正好位于背光源边缘；3、背光源一般在检测轮廓时，可以尽量使用波长短的光源，波长短的光源其衍射性弱，图像边缘不容易产生重影，对比度更高；4、背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳的效果，并非离得越近效果越好，也非越远越好；5、检测液位可以将背光源侧立使用；6、圆轴类的

21、产品，螺旋状的产品尽量使用平行背光源；2.1.1.3.2（4）光源选型要领）光源选型要领同轴光源选型要领：l选择同轴光时主要看其发光面积，根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光；l同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.52倍左右,因为同轴光的光路设计是让光路通过一片45度半反半透镜改变,光源靠近灯板的地方会比远离灯板的亮度高,因此,尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀;l同轴光在安装时尽量不要离目标太高，越高，要求选用的同轴光越大，才能保证才均匀性；2.1.1.3.3光源案例分析光源案例分析饮料瓶盖条码检测： 检测的内容主要有条码识别、条码打标位置是否偏离；使用光源：204mm、60度蓝光

22、单个瓶盖多个瓶盖选型分析：1、了解产品特性： 瓶盖上面是黑色，另有红黑交错背景图案，条码为激光刻印显灰色，为了显现出条码，应该将字符打亮，背景与字符分辨明显；我们如果选用红色光源的话，背景中的红色会滤掉打白，会干扰同为白色的字符，所以，我们应该利用光源的互补原理，采用蓝色光源，将红色背景尽量打黑； 白色光源效果 蓝色光源效果2.1.1.3.3光源案例分析光源案例分析2、了解产品形状选择合适光源 瓶盖为圆形，直径为25MM，一般此情况可以选择同轴光或者环形光比较合适；3、了解产品材质特性选择合适光源 瓶盖为金属材料，表面有印刷图案，比较光滑，反光度很强，选用同轴光或带角度的环形光比较合适；4、模

23、拟现场打光选择能用的光源 由于酒瓶必须装在包装纸箱里，瓶盖离纸箱上顶部的距离有80MM，考虑需要留一定的空间，因此，瓶盖离光源需要的距离为100MM或以上，如此高的距离，小同轴光跟小环光以及低角度光就不能满足要求，必须选用大同轴光跟大环光。2.1.1.3.3光源案例分析光源案例分析5、打光试验 根据以上情况选择大致的光源后，再进行性价比对比，选择性价比高的光源进行实际打光测试（同轴光如果提到110MM距离的话，需要用到120左右的光，单位价值比较高，所以选择环形光比较经济）采用180mm、30度蓝色环光在110MM高度打光周边亮带反光强，不利于找中心位。采用204mm、60度蓝色环光在110M

24、M高度不会将光源LED亮斑影投射到瓶盖上。2.1.1.3.3光源案例分析光源案例分析6、最终确定光源 根据打光效果图进行软件处理，在得到 可靠性 及 准确性 的条件下选择正确的光源。2.1.1.3.3光源案例分析光源案例分析从上述案例中可以分析出：l产品的颜色影响光源的颜色；l产品的特性可以确定光源的照射方式，从而确定光源的 类型；l产品的安装空间及相机、镜头、传感器的位置等障碍可以摒弃一些不方便安装的光源；l光源的安装高度影响光源的类型及大小。2.1.1.3.4光源案例分析总结光源案例分析总结2.1.1.4 图像采集卡图像采集卡l图像采集卡（Frame Graber）：图像采集卡是图像采集部

25、分和处理部分的接口。图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的过程，叫做采集、数字化lA/D转换：视频量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字信号的过程，即A/D转换。视频信号的量化处理是图像采集处理的重要组成部分。 A/D转换过程2.1.1.4.1图像采集卡附加功能图像采集卡附加功能l相机触发功能l灯源控制功能l基本IO功能l相机复位功能l相机时序输出功能2.1.1.4.2图像采集卡分类图像采集卡分类l按输入信号类型可以分类为： 模拟图像采集卡 数字图像采集卡2.1.1.4.2图像采集卡分类图像采集卡分类l按功能可以区分为：单纯功能的图像采集卡集成图像

26、处理功能的采集卡2.1.1.4.3图像采集卡趋势图像采集卡趋势l传统图像采集卡（A/D转换）最终将被淘汰；lCameraLink、Firewire(1394)、LVDS等数字接口采集卡已被广泛使用；l智能相机（Smart Camera）会应用于工业现场控制系统；l带网络接口（Gigabit Ethernet）的图像设备将成为主流。2.1.1.4.4图像采集卡接口种类图像采集卡接口种类l模拟信号接口2.1.1.4.4图像采集卡接口种类图像采集卡接口种类l数字信号接口数字信号RS422数字信号LVDS2.1.1.4.4图像采集卡接口种类图像采集卡接口种类l数字信号CameraLink13对线（其中

27、有 6线对数据线），使得接插件的尺寸更加的小巧。允许相机设计的体积更小。更高的传输速率。采用Channel Link芯片组( 支持速率达2.3Gb/s )满足对数据传输速率越来越高的要求。集成有串口通讯协议。2.1.1.4.4图像采集卡接口种类图像采集卡接口种类l数字信号IEEE1394(Firewire)两种接口标准，一种是6针接口，另一种是4针接口。6针接口可以从端口获得电源，以给那些无法自己供电的产品提供电源。1394A传输速率为 400Mb/s，1394B 可达 800Mb/s。不需要控制器，可以实现对等传输，最大连线4.5米，大于4.5米可采用中继设备。支持即插即用。它是目前唯一支持

28、数字摄录机的总线。2.1.1.4.4图像采集卡选取方法图像采集卡选取方法1、视频信号接口视频信号接口l要求相机与采集卡的视频信号类型一致 ：l模拟信号接模拟采集卡；数字信号接数字采集卡。l如：CameraLink- CameraLink；1394-1394l据公司以往的经验，在客户没有特别指定的情况下，优先选择以太网或USB3.0接口。这是趋势，因为1394虽然有许多优点，但因为支持的问题将逐步淘汰。当然还要看看系统需要多少接口，以及PCI或PCIe插槽的数目和相机数来考虑。一般在未定型前，通常留有备用插槽和备用相机接口给系统提供可能的扩展需要是有好处的。假如已经定型，可以不留有扩展接口和插槽。2.1.1.4.4图像采集卡选取方法图像采集卡选取方法2、数据采集能力数据采集能力l要求采集卡的数据采样频率大于或等于相机信号数据输出频率。采集卡的数据率必须满足的要求可按下式计算： 模拟 Data Rate (Grabber) 1.2R*f 数字 Data Rate (Grabber) Data Rate (Camera) lData Rate(Grabber)为采集卡的数据率；lData Rate(Camera)为相机的数据率； lR为相机的分辨率； lf为相机的帧频。2.1.1.4.4图像采集卡选取方法图像采集卡选取方法3、软